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近期一次学术会议上,研究人员探讨了在基因表达与疾病发展过程中,RNA表观遗传学的作用至关重要,同时也阐述了一种与白血病相关的全新化学修饰。
科学家相信mRNA的修饰在很多疾病的发生发展中可能起重要作用,遗憾的是至今仍没有引起足够重视。
基因上的化学修饰基团可在不改变DNA序列的情况下影响蛋白质的表达。这一发现曾令科学界震惊,随后被写进了生物医学教科书,这种现象称为表观遗传学。
此前,科学家也在信使RNA (mRNA)上发现这种现象。mRNA是一种核酸分子,它通过转录DNA,指导蛋白质的合成。
在近期举行的一次学术研讨会上,研究人员探讨了在基因表达与疾病发展过程中,RNA表观遗传学至关重要的作用,并阐述了一种与白血病相关的全新化学修饰。
RNA表观遗传学
研究发现,表观遗传标记就像圣诞彩灯一样修饰着mRNA。美国国家癌症研究中(NCI)的RNA生物学家佩德罗·巴蒂斯塔认为:细胞通过这些标记“来确定应该在何时、何地以及产生多少(相关的)蛋白质”。
纪念斯隆-凯特琳癌症中心的迈克尔·卡拉思进一步阐述:mRNA修饰“可影响细胞的生存。无论是细胞分裂、癌变、神经系统疾病都受到该修饰的影响”。
这些发现将为药物开发人员提供了全新思路。卡拉思还认为:这些mRNA修饰可能在很多疾病发生发展过程中起了重要作用,只是未能引起人们的重视。
该领域研究一度停滞
在20世纪70年代,mRNA修饰曾被报道过,但到了2008年,相关研究几乎销声匿迹了。后来,芝加哥大学的何川、康奈尔大学的萨米·杰弗瑞和以色列特拉维夫大学的吉迪恩·雷查维重新审视了这个领域的问题。
他们的团队专注于一种名为m6A的mRNA修饰研究:这是一种简单的化学基团,一个甲基附着在RNA分子的一些腺嘌呤碱基上。
何川的研究小组发现,一种著名的酶可以去除mRNA的这种修饰,证实了m6A具有重要的生物学作用。杰弗瑞和雷查维的研究小组开发的序列比对工具表明,m6A广泛存在于mRNA上。
重新引发研究热潮
NCI的研究人员莎莉尼·奥别多菲尔指出:此前,人们虽知道mRNA表观遗传标记的存在,但不知该如何找到它们。
在至少六种mRNA的修饰中,m6A是被研究得最透彻的。当一种识别蛋白附着在它上面时,就会影响相应蛋白质的功能,甚至会发生巨大变化。
例如,m6A可调控胚胎干细胞分化为不同细胞类型所需的基因表达。而在血液干细胞中,m6A则限制细胞分化。白血病是一种血液干细胞异常增殖分化引起的疾病,在该病中,m6A则维持血液干细胞异常增殖分化。
2017年,三项独立的研究结果表明,阻断对mRNA进行m6A修饰的酶可杀死急性髓系白血病细胞。目前,至少有三家生物技术公司正在开发阻断这种酶的实验性药物。
英国剑桥大学的托尼﹒克扎雷德还报告了一种新型的mRNA修饰和一种驱动白血病的相关酶。他认为还有更多的mRNA修饰与白血病相关。
m6A维能够持大脑功能
m6A对于维持大脑功能也是至关重要的。可调控小鼠在发育过程中新神经元形成的精确时间,并使轴突在神经损伤后再生。m6A修改还被证实增强了小鼠的记忆力。
当在小鼠身上敲除m6A修饰基因时,出现不同程度的记忆缺陷。注射一种携带正常表达基因的病毒则可以逆转这种效果。
去年,《自然》上发表了一篇论文表明,用化学方法刺激神经元,模仿添加新的记忆刺激信号时,他们看到了依赖于m6A的蛋白质合成增加。
mRNA乙酰基修饰
几年前,奥别多菲尔推测在mRNA上可能存在另一种简单的化学修饰基团:乙酰基。去年,她的研究团队在《细胞》上发表该研究成果,他们发现许多mRNA胞嘧啶碱基存在着乙酰化修饰。
这种改变通过稳定分子来促进蛋白质翻译,也可能通过协助mRNA与正确的转运RNA (tRNAs)匹配来促进蛋白质合成。
tRNA是一种小RNA分子,读取mRNA并向生长中的蛋白质链添加氨基酸。当mRNA和tRNA互补配对结合时,触发氨基酸的添加。
但是,这个配对系统存在缺陷:mRNA序列远多于tRNA,因此,tRNAs必须以某种方式找到(并绑定到)一些不匹配的mRNA。
奥别多菲尔的团队发现了这个谜团的线索:乙酰化的mRNA碱基通常位于tRNA必须识别mRNA的位置,研究人员发现,尽管此时两者不匹配,RNA修饰的存在极大地促进了基因表达。
奥别多菲尔认为这种修饰对于正确的mRNA-tRNA识别并非是必要的,但是它可能稳固两者的结合。她推测人类的遗传密码并非是一个静态的“实体”。
存在的争议
和其他新兴研究领域一样,科学界对RNA表观遗传学(也被称为表观转录组学)也存在争议。2016年,《自然》刊发一篇论文中,研究人员发现了一种新的修饰:m1A,在细胞的mRNA中有7000多个位点。
一年后,《自然》刊发了另一篇论文,另一组科学家推翻了该结论,他们认为:最多存在15个m1A位点。
杰弗瑞认为:正因为争论如此激烈,导致分子生物学领域的每个人都对这些mRNA修饰的有效性持质疑态度。
其他方面,关于所谓关键酶和读码蛋白功能的争论也很激烈。即便如此,表观转录组学领域已经在快速发展中了。
科学的发展需要更多关于该领域的新知识、新思想,科学界应当保持开放的心态。该领域的研究仍处于起步阶段,需要更多深入研究,才能得出更令人信服的结论。
科学探索不可能一帆风顺,有时候真理掌握在少数人手里。他们持之以恒,不弃不离地从事着生物学基础研究,表观遗传学与疾病发生发展的研究就是如此。
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